基于主动横摆力矩优化分配的车辆底盘集成控制研究

宋会

摘要：本篇文章主要基于主动横摆力矩优化分配的车辆底盘集成控制进行思考讨论，从车辆动力学模型到最后的仿真验证都进行仔细的介绍。对安全控制系统进行深入的研究，并开展相关的实验可以发现开发中存在的缺点，通过对主动横摆力矩进行优化分配后的仿真结果可以使得底盘控制器具有较好的控制效果，这可以进一步保障车辆的稳定性。

关键词：底盘集成控制器；主动横摆力矩；优化分配；控制

1 车辆动力学建模

车辆动力学建模主要有两个方面组成，它们分别是控制器设计的参考模型和控制器的验证模型，接下来就对这两个部分进行思考介绍，主要有以下几个方面：

1.1 控制器设计的参考模型

控制器设计时，参考模型需要真实地将系统进行操作时的特性反映出来，故工作人员需要严格按照要求开展工作，做到越简单越好。此次选用二自由度半车辆模型，如图1：

根据二自由度的车辆运动学的方程式可以了解到其中的m代表整车的质量，v代表车辆的质心纵向速度，β代表质心的侧偏角速度，γ代表横摆角的速度，F代表着车辆前轴的侧向力、车辆的后轴侧向力，在具体运算中需要具体标注，I代表车辆横摆转动的惯量，车辆质心到前轴的距离和车辆质心到后轴的距离，同样需要清楚标注出来。

1.1 控制器的验证模型

如果车辆装备了主动控制和主动转向，需要建立相关的十五自由度非线性控制器验证模拟。第一是簧载质量，自由度数为6，运动类型是横摆运动、垂直运动、纵向运动、侧向运动、侧倾运动以及俯仰运动；第二是非簧载质量，自由度数是4，运动类型是四个垂向运动；第三是车辆旋转惯量，自由度数是4，运动的类型是四个旋转运动；第四是前轮转动惯量，自由度数是1，运动类型是转向轮转向旋转运动。

2 底盘集成控制主环路控制器设计

底盘集成控制主环路控制器设计也是由两个方面所组成的，它们是车辆的状态观测器设计和主环路控制器的设计。接下来就对其进行思考介绍，主要有以下几个方面：

2.1 车辆的状态观测器设计

车辆的状态观测器是可以根据车辆自备的传感器信号来对驾驶员的意图进行辨别，同时可以对车辆的现状有一定的了解，这些数据被控制器控制从而对车辆的运动状态等作出相关的决策。底盘集成控制系统车辆需要车辆很多的状态数据，比如说车轮的垂直荷载、路面的附着系数、横摆角的速度、车辆的质心侧偏角度以及车辆的纵向速度等，其中一部分参数可以通过传感器直接获得，还有部分参数是需要根据观测器来进行计算的。

2.2 主环路控制器的设计

主环路控制器的设计是不需要对车辆轮胎侧偏力非线性进行考虑的，同样也不需要考虑汽车的前轴和汽车的后轴遭受到的侧向力与汽车前后轴遭受的侧向力与对应侧偏角是线性的关系。

3 主动横摆力矩优化分配

前面的文章对车辆动力学建模和底盘集成控制主环路控制器设计进行思考介绍，接下来就对主动横摆力矩优化分配进行思考讨论。

我们根据车辆動力学的原理可以将期望的横摆力矩写成M=Bu，通过主动转向或者是对目标的车轮施加主动制动，在经过计算后可以得到期望的主动横摆力矩。这次研究是使用二次规则来优化分配车辆的主动制动目标横摆力矩，在具体的操作过程中需要有约束条件，即T=Bu。约束条件主要轮胎摩擦圆的限制力可以执行的区域和主动转向系统的最大动转向角。工作人员采用积极集法对主动目标横摆力矩优化分配问题进行研究分析后可以得到最为科学的主动横摆力矩的分配方法。将分配的侧向力和力矩再通过轮胎的逆模型将其转化成为目标滑移率和目标侧偏角，目标执行器会将其转化成为车轮制动力和主动转向角。

4 仿真验证

上文对主动横摆力矩优化分配进行思考分析，这帮助我们进一步了解了优化分配的过程。在主动横摆力矩优化分配结束后需要通过仿真验证来确定其可行性，接下来就对仿真验证环节进行思考讨论。

仿真验证主要是验证主动横摆力矩分配的算法和相应的底盘集成控制系统性能，在这个环节中，工作人员采用的是十五自由度的非线性车辆动力学模型。在单移线和阶跃转向两种比较典型的环境下进行离线仿真的验证，如图2：

在仿真验证的环节之中可以发现在没有使用底盘集成控制的时候，车辆质心侧偏角和横摆角速度都偏离了名义值，慢慢会丧失方向稳定性。而在使用底盘集成控制之后，车辆可以比较好的跟踪横摆角速度名义值，同时可以更好地控制质心侧偏角，这可以保障车辆具有更好地稳定性。

5 总结

总的来说，本篇文章对基于主动横摆力矩优化分配的底盘集成控制系统进行思考讨论，从车辆动力学建模到最后的仿真验证环节都进行了深入的研究，可以得出该系统是具有一定的控制效果的，它可以提高车辆的操纵稳定性，它值得在生活生产中推广应用。在整个过程中，需要对主动横摆力矩优化分配格外重视，该环节对于最终的效果有着直接的影响。

参考文献

[1]李静，张家旭.基于状态反馈的车辆底盘集成H∞鲁棒控制[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（3）：685-691.

[2]李刚，雷永强，马高峰等.四轮独驱电动车横摆力矩与主动转向协调控制[J].机械设计与制造，2018，（8）：229-232.

（作者单位：南京恒天领锐汽车有限公司）